摘要：本文介紹了如何使用一個(gè)零漂移精密儀表放大器，一對(duì)rejustor (電動(dòng)可調(diào)無(wú)源電阻)和增益設(shè)置電阻實(shí)現(xiàn)高精度增益設(shè)計(jì)的方法。文中以精密儀表放大器MAX4208為例，介紹了應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果。

 

概述

儀表放大器被廣泛用于各種應(yīng)用。當(dāng)儀表放大器連接到微弱差分信號(hào)輸出的傳感器時(shí)，儀表放大器需要提供高增益，而且要求高精度增益，并維持非常低的失調(diào)電壓。在某些條件下，傳感器輸出的差分信號(hào)只有幾個(gè)mV，而放大器增益需要高達(dá)1,000倍。

一些儀表放大器內(nèi)置增益調(diào)節(jié)電阻并有幾個(gè)固定增益設(shè)置可供選擇。但對(duì)設(shè)計(jì)靈活性要求較高，同時(shí)被放大的傳感器信號(hào)必須與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程相匹配時(shí)，設(shè)計(jì)人員更喜歡使用那些通過(guò)調(diào)節(jié)外部分壓電阻來(lái)設(shè)置增益的儀表放大器。這種情況下，需要注意：即使是最精確的儀表放大器也會(huì)因?yàn)橥獠吭鲆嬖O(shè)置電阻的誤差而影響放大器的性能。

本文介紹如何使用一個(gè)零漂移精密儀表放大器、一對(duì)rejustor和增益設(shè)置電阻實(shí)現(xiàn)高精度的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

 

增益可調(diào)儀表放大器

MAX4208是一款超低失調(diào)/漂移的精密儀表放大器。該器件采用所謂的間接電流反饋創(chuàng)新架構(gòu)，配置成一對(duì)跨導(dǎo)放大器(圖1)和高增益模塊，由兩個(gè)外置電阻提供負(fù)反饋。放大器的輸出與差分輸入的關(guān)系由如下式確定：

VOUT = VIN × (1 + R2/R1)

其中，VIN = VIN+ - VIN-

這兩個(gè)跨導(dǎo)放大器從它們的差分輸入電壓生成輸出電流，并抑制共模輸入信號(hào)。負(fù)反饋確保兩個(gè)差分輸入相等。


圖1. MAX4208功能框圖

在整個(gè)溫度范圍內(nèi)能夠保持極高精度電阻是外部電阻的最佳選擇，但只能找到某些阻值的這一等級(jí)的電阻。因此，這樣的兩個(gè)電阻組合在一起，其阻值不一定恰好達(dá)到所要求的設(shè)定增益。此外，即使電阻可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的設(shè)定增益，其它電路的非線性或不匹配也可能引起實(shí)際增益與理論值的偏差。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)高增益精度切實(shí)可行的方案是使用可調(diào)電阻。

MAX4208的超低增益誤差(+25°C時(shí)，典型值為±0.05%，最大值為±0.25%)會(huì)因?yàn)橥獠侩娮枵`差的影響而變差。因此，為了充分利用儀表放大器的精度，應(yīng)選擇精度為0.25%或更高精度的外置電阻。然而，0.25%精度的電阻價(jià)格可能高于放大器本身的價(jià)格。

上述非可調(diào)電阻的問(wèn)題(阻值不連續(xù)、電阻精度誤差較大)可以通過(guò)選擇rejustor (電動(dòng)“調(diào)節(jié)”電阻)解決。

 

Rejustor

Microbridge®推出的Rejustor™元件是一款與VLSI和MEMS兼容的電動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)源微電阻。它的非易失性意味著它不需要供電就能夠保存其設(shè)定值。可以進(jìn)行雙向、多次高精度調(diào)節(jié)(例如：0.1%至0.002%，取決于很多因素)。只需通過(guò)使用電信號(hào)加熱的方式，就可以調(diào)節(jié)多晶硅電阻的晶體結(jié)構(gòu)，因而改變其電阻值。一旦調(diào)節(jié)完成，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)保持穩(wěn)定，直到再次被加熱使其阻值發(fā)生變化。rejustor還可與其它rejustor進(jìn)行溫度系數(shù)匹配。此外，通過(guò)使用電信號(hào)，rejustor也能用來(lái)補(bǔ)償其它模擬電路器件的失調(diào)和溫度系數(shù)的變化。所有調(diào)節(jié)都可在封裝前或封裝后，在低電壓、低電流條件下完成。

Microbridge有一項(xiàng)稱(chēng)為eTC Rejustor的改進(jìn)技術(shù)。它是一套針對(duì)封裝后的溫度條件，實(shí)現(xiàn)無(wú)源、全模擬、電動(dòng)調(diào)節(jié)溫度系數(shù)的解決方案。使用eTC Rejustor，每個(gè)電阻的阻值和電阻溫度系數(shù)(TCR)都能分別調(diào)整到目標(biāo)值。大大提高了解決與溫度相關(guān)的各種問(wèn)題的靈活性。例如，對(duì)放大器失調(diào)和溫度系數(shù)(TC)失調(diào)，可對(duì)其進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)可以在電路板完成組裝之后進(jìn)行。因此，工程師可以一直等到設(shè)計(jì)中所有其它的參數(shù)變化和溫度敏感程度都彰顯之后，再進(jìn)行最后的測(cè)試，一并補(bǔ)償各項(xiàng)累積變化和誤差。

Rejustor值可以至少在出廠設(shè)定值的30%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

測(cè)試數(shù)據(jù)

以下是兩個(gè)高增益儀表放大器MAX4028的試驗(yàn)，一個(gè)試驗(yàn)只使用rejustor，另一個(gè)試驗(yàn)rejustor和電阻一同使用，可以得到明顯改善的高增益測(cè)試結(jié)果。

 

利用外置rejustor提供360倍的增益

在第一個(gè)測(cè)試電路中(圖2)，MAX4208由±2.5V雙電源供電，REF引腳接GND。增益設(shè)置電阻R1由兩個(gè)并聯(lián)的1kΩ rejustor組成(RJ1 = 1kΩ||1kΩ = 500Ω)。增益設(shè)置電阻R2由兩個(gè)串聯(lián)的90kΩ rejustor組成(RJ2 = 90kΩ + 90kΩ = 180kΩ)。此設(shè)計(jì)能提供大約361V/V的增益。由于生產(chǎn)誤差，實(shí)際測(cè)量的增益為350V/V。試驗(yàn)中使用的rejustor是標(biāo)準(zhǔn)的低溫度系數(shù)電阻(TCR)、雙rejustor封裝形式：MBD903A (90kΩ × 2)和MBD102A (1kΩ × 2)，均為SO封裝(也提供QFN封裝)。

實(shí)驗(yàn)裝置如下所示：

• 可容納兩個(gè)rejustor的ZIF插槽，易于更換rejustor
• MBK-408 trim-kit
• National Instruments的cDAQ和NI-9205 ADC
• Agilent的34420A 7&1/2數(shù)字納伏表
• 輸入基準(zhǔn)電壓源，VINP = 4.118mV
• 筆記本電腦

圖2. MAX4208配合外置rejustor實(shí)現(xiàn)360V/V增益

為了說(shuō)明調(diào)節(jié)的過(guò)程，電路增益通過(guò)以下步驟設(shè)置到360V/V：

1. 將MAX4208輸入短路，測(cè)量輸入失調(diào)電壓。使用Agilent公司的34420A伏特表測(cè)量輸出，同時(shí)用NI-9205顯示測(cè)量結(jié)果。圖3顯示了輸出失調(diào)電壓，證明輸入失調(diào)電壓非常小，以µV為單位計(jì)量，可以忽略(VOS = VOUT/增益)。因此，可以忽略輸入失調(diào)電壓對(duì)隨后測(cè)量的影響。
   
   
   清晰圖片(PDF, 517kB)
   圖3. MAX4208測(cè)試系統(tǒng)的輸出偏置電壓
   
    
2. 將±4.118mV (Agilent 34420A實(shí)測(cè)值)的基準(zhǔn)電壓連接到MAX4208輸入端。增益設(shè)置為360V/V，期望輸出電壓為±1482.48mV：

   VOUT = VIN × 增益 = ±4.118mV × 360 = ±1482.48mV

3. 兩個(gè)rejustor均調(diào)節(jié)到目標(biāo)值(7%預(yù)置)，再次測(cè)量輸出電壓。

圖4和圖5顯示所得到的增益誤差優(yōu)于0.1% (1.5mV輸出電壓失調(diào)對(duì)應(yīng)百分比約為0.1%)。


清晰圖片(PDF, 492kB)
圖4. 與1482.48mV標(biāo)稱(chēng)輸出的偏差


清晰圖片(PDF, 517kB)
圖5. 與-1482.48mV標(biāo)稱(chēng)輸出的偏差

測(cè)試結(jié)果表明，在可調(diào)高增益應(yīng)用中，并且使用標(biāo)準(zhǔn)rejustor替代價(jià)格昂貴且精度較低(要達(dá)到相同的性能指標(biāo)，需要0.1%或更高精度的電阻)的電阻后，外圍電路不會(huì)影響儀表放大器MAX4208的精度。

利用外置rejustor和電阻提供1000倍的增益

第二個(gè)測(cè)試?yán)脙x表放大器MAX4208提供1,000V/V增益，它與第一個(gè)測(cè)試的配置和測(cè)試設(shè)備類(lèi)似，不同的是：

• 基準(zhǔn)輸入電壓源，VINP = 1.826mV。
• 增益設(shè)置電阻R2由固定75kΩ電阻(0.1%)和標(biāo)準(zhǔn)的低TCR、10kΩ rejustor MBD103串聯(lián)而成。
• 增益設(shè)置電阻R1由一個(gè)固定91kΩ電阻(0.1%)和標(biāo)準(zhǔn)的TCR、1kΩ rejustor MBD102并聯(lián)而成。

電路如圖6所示。


圖6. MAX4208配合外置rejustor和電阻實(shí)現(xiàn)1000V/V增益

通過(guò)以下三個(gè)步驟，將電路增益設(shè)置到1,000V/V：

1. 為了測(cè)量增益為1000V/V時(shí)，輸入失調(diào)和共模抑制比(共模電壓VCM = 1.25V)的影響，將MAX4208輸入短路。從圖7可以看出，輸出電壓VOUT非常小。因此，輸入失調(diào)電壓和共模抑制比的影響可以忽略不計(jì)。
   
   
   清晰圖片(PDF, 491kB)
   圖7. 第二個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示輸出電壓很小，共模電壓抑制比和輸入失調(diào)電壓的影響可以忽略。
   
    
2. 將±1.826mV (Agilent 34420A測(cè)量值)基準(zhǔn)電壓連接到MAX4208的輸入端。若設(shè)定增益為1,000V/V，則理論輸出電壓為±1826mV。
3. 兩個(gè)rejustor都調(diào)節(jié)到所要求的目標(biāo)值，再次測(cè)量輸出電壓。

圖8和圖9截屏顯示增益誤差小于0.1% (2mV輸出失調(diào)電壓對(duì)應(yīng)的百分比約為0.1%)。


清晰圖片(PDF, 491kB)
圖8. 與1826mV標(biāo)稱(chēng)輸出電壓的偏差


清晰圖片(PDF, 518kB)
圖9. 與-1826mV標(biāo)稱(chēng)輸出電壓的偏差

上述兩個(gè)測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)的rejustor和電阻，測(cè)試數(shù)據(jù)證明：使用rejustor時(shí)，外圍元件不會(huì)降低儀表放大器MAX4208的精度。由于使用了固定電阻，rejustor的調(diào)節(jié)范圍只能在額定30%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。然而，電阻與rejustor一同使用，可以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提高放大器的性能和器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這是因?yàn)殡娮柙?例如：±20ppm/k)降低了rejustor相對(duì)較高的TCR (例如：±100ppm/k)。

 

結(jié)論

在一些應(yīng)用中，儀表放大器需要放大非常小的信號(hào)，因?yàn)楦呔?超低失調(diào)和增益誤差)和高增益至關(guān)重要。增益大小通常由外部阻性元器件確定，此類(lèi)設(shè)計(jì)中利用rejustor可以獲得很好效果。Rejustor本身的靈活性可以確保非常精確的增益值。同時(shí)，要達(dá)到相同精度，使用rejustor比使用高精度電阻的成本更低。最后，rejustor即可以單獨(dú)用于大范圍調(diào)節(jié)增益的場(chǎng)合，也可以配合固定電阻使用，后者在溫度和穩(wěn)定性方面都可以達(dá)到最佳效果。